Otra de las aplicaciones pr�cticas de la energ�a solar es la potabilizaci�n de agua.
Mediante las diversas variantes de esta t�cnica es posible producir agua potable a
partir de agua contaminada. Como esto puede lograrse mediante tecnolog�a
relativamente simple, esta aplicaci�n resulta especialmente �til para regiones
alejadas de las comodidades de la civilizaci�n, como islas y regiones costeras poco
comunicadas. Pero tambi�n pueden encontrarse aplicaciones t�cnica y
econ�micamente factibles en otros lugares.
Dependiendo del grado de contaminaci�n que contenga el agua, existen
diversas tecnolog�as solares para su purificaci�n. En general, los sistemas solares
para la purificaci�n de agua son capaces de remover s�lo cantidades relativamente
peque�as de contaminaci�n, con excepci�n quiz�s, de los que se utilizan para
purificar agua de mar. Los destiladores solares, pues, no son adecuados para
purificar aguas negras ni residuos industriales. Son adecuados para potabilizar
aguas superficiales (r�os, lagos), aguas subterr�neas o agua de mar. B�sicamente
habr�a que considerar dos niveles de contaminaci�n para los cuales son
adecuados: 1) Agua con contaminaci�n microbiana ligera y 2) Agua con
contaminaci�n de sales disueltas.
Existe una diversidad de casos en los que el agua no contiene sales inadecuadas
para su potabilidad, pero s� microorganismos pat�genos o indeseables. Para este
caso es posible eliminar la contaminaci�n microbiana mediante un calentamiento en
un calentador solar operando en condiciones adecuadas para ello. Un calentador,
como los descritos en el Cap�tulo 9, si se destina exlusivamente para la
purificaci�n de agua, esto es, dejando que alcance las m�ximas temperaturas que
puede producir, es capaz de eliminar los microorganismos. Para eliminar los
microorganismos no se requiere llegar a la temperatura de ebullici�n, sino que
basta pasar de los 60�C, pero sostenerlos durante varios minutos. Existen
algunos estudios experimentales en los que se reporta haber eliminado con �xito
una diversidad de microorganismos, en forma continua durante varios meses.
Otro caso consiste en aguas contaminadas con sales disueltas indeseables,
independientemente de que adem�s contengan microorganismos. Con mucho, el
caso m�s com�n es el del agua de mar, pero tambi�n puede encontrarse este
problema en aguas continentales, salobres o con alg�n residuo espec�fico
indeseable. Algunos ejemplos son: ars�nico en la comarca lagunera en Coahuila;
residuos de fertilizantes en muchas norias de regiones agr�colas; residuos
azufrosos en las aguas termales; contenido de compuestos indeseables en la
cuenca del Lerma-Chapala-Santiago, etc.
Desde el punto de vista t�cnico, no existen muchas alternativas para retirar
las sales disueltas en el agua. Las principales son: a) la desalaci�n por medio de
evaporaci�n y condensaci�n, b) la desalaci�n por medio de congelaci�n parcial y
fusi�n, c) la desalaci�n por �smosis inversa y d) el intercambio i�nico. Esta
�ltima, muy com�n en algunos procesos industriales, realmente no retira las
sales, sino que �nicamente cambia un tipo de sales por otras de diferente i�n met�lico.
De todas las alternativas mencionadas, la que m�s se presta para acoplarla
con un sistema solar, es la desalaci�n por evaporaci�n y condensaci�n. En el argot
de la Ingenier�a Qu�mica, esto se llama simplemente "desalaci�n"; sin embargo, la
costumbre ha hecho que en el mundo de la energ�a solar se conozca como
destilaci�n solar. (En ingenier�a qu�mica, el t�rmino destilaci�n se aplica a la
t�cnica de separaci�n substancias vol�tiles aprovechando su diferente volatilidad,
como en el caso de las mezclas alcohol-agua, benceno-tolueno y los hidrocarburos
que forman el petr�leo; cuando los componentes que se desea separar no son
vol�tiles, por ejemplo sales, se llama "desalaci�n").
El proceso, en principio, es muy sencillo. Simplemente se coloca el agua en
un recipiente donde se pueda calentar mediante alg�n efecto solar, desde por
irradiaci�n directa, hasta por medio de colectores. Al calentarse el agua se
evapora, dejando las sales, y posteriormente se condensa en alguna parte del
equipo en donde no pueda mezclarse con el agua contaminada.
Se llama destilando o salmuera el agua contaminada cuyas sales o
microorganismos se desea remover. Mediante el proceso de la destilaci�n solar se
obtiene el destilado que es, simplemente el agua condensada, ya sin sales.
Uno de los destiladores solares m�s simples y m�s comunes en la actualidad, se
conoce como "destilador solar de caseta". La figura 11.1 muestra un bosquejo de
un destilador de este tipo. B�sicamente consiste en los elementos que
describiremos a continuaci�n:
Como la mayor�a de los sistemas t�rmicos para el aprovechamiento de la energ�a
solar, los destiladores solares requieren un colector. Este consiste en una
charola, amplia, extensa y poco profunda, de color negro en su cara superior,
que se coloca en forma horizontal. Dentro de esta charola se coloca una peque�a
cantidad de agua (alrededor de 2 a 3 cm de profundidad) la cual se calienta
directamente por contacto con el fondo de la charola negra. Como todos los
colectores que trabajan a temperaturas relativamente altas, se requiere un
aislante t�rmico en las partes adecuadas, para evitar p�rdidas de calor que no se
traducen en el efecto deseado. El material del que se construya la charola
colectora no es especialmente importante, desde el punto de vista t�rmico, pero s�
desde otros puntos de vista. Por ejemplo, la l�mina de hierro puede tener
problemas de corrosi�n, aumentado precisamente por la presencia de las sales que
se desea remover.
La regi�n en la que se lleva a cabo la evaporaci�n del agua, t�cnicamente recibe el
nombre de evaporador. En el caso particular del destilador de caseta, el
evaporador es la misma charola que funge como colector. La superficie superior
del destilando, es decir, el espejo de agua, es propiamente el evaporador. Con el
objeto de que el agua logre temperaturas relativamente altas (del orden de 60 a 70
�C), es necesario que la profundidad de agua sea peque�a, tanto como sea
posible. Las temperaturas altas favorecen el proceso de evaporaci�n al aumentar
exponencialmente la presi�n de vapor del agua. Por otro lado, como se explic�
anteriormente, la eliminaci�n de microorganismos requiere tambi�n de
temperaturas altas. Sin embargo, en los destiladores de caseta es posible
evaporar alrededor de 0.5 cm de profundidad de agua en un d�a. Debido a esto,
no es recomendable que la profundidad sea menor que esta distancia, para evitar
que se seque el evaporador. Existen otros dise�os m�s sofisticados, en los que el
evaporador es una unidad aparte del colector.
Sobre el evaporador existe una regi�n con aire, que separa a �ste del
condensador. La funci�n del evaporador es transferir agua a el aire para
saturarlo. La �nica funci�n del aire es servir como medio de transporte para las
mol�culas de agua que viajan del evaporador al condensador. Los destiladores
solares peque�os utilizan como medio para este "viaje" la difusi�n molecular. Para
el proceso de difusi�n molecular, la distancia es un elemento de resistencia al
transporte de las mol�culas. Por tanto, la distancia que separa el evaporador del
condensador debe ser tan peque�a como sea pr�cticamente posible, tomando en
cuenta las limitaciones que mencionaremos a continuaci�n.
El aire que separa el evaporador del condensador normalmente se encuentra
saturado. Esto propicia la extracci�n del agua, en forma l�quida, en alguna regi�n
que se encuentre a temperatura menor que el resto del sistema y particularmente
que la temperatura del evaporador. Esta regi�n se llama condensador. En un
destilador de caseta, esto se logra colocando una cubierta de alg�n material
transparente, a una cierta distancia sobre el evaporador. T�picamente se utiliza
vidrio, o algunos pl�sticos. Para que el condensador funcione eficientemente, en
un destilador de caseta, debe tener varias caracter�sticas. Por ejemplo, debe ser
un area relativamente grande, por lo menos semejante al �rea del evaporador.
Debe estar ventilado (no aislado) para que se den los flujos de calor hacia el
ambiente, tales que lo mantengan a menor temperatura que el resto del destilador.
Debe tener una cierta inclinaci�n, con el objeto de que el agua que se condensa
sobre la cara interna del destilador escurra en la direcci�n deseada. Las
inclinaciones t�picas que se manejan son del orden de 20� a 30� respecto de la
horizontal, pero algunos autores han reportado hasta 6�. La inclinaci�n del
condensador establece algunos compromisos: por un lado, si est� demasiado
cercano a la horizontal, el agua condensada puede gotear hacia la salmuera,
disminuyendo con ello la eficiencia del destilador; por otro lado, si el condensador
est� muy inclinado, la separaci�n entre evaporador y condensador puede
aumentarse inconvenientemente, porque se desfavorece el proceso de difusi�n
descrito anteriormente.
El destilado que escurre hacia abajo, a lo largo de la cubierta del condensador,
debe ser recolectado de forma que no se contamine y no se reevapore. Para ello se
utilizan unos peque�os canales casi horizontales, colocados en la parte baja del
condensador, pero protegidos adecuadamente contra la posibilidad de que el
destilado se mezcle con el destilando. Estos canales colectores se conectan con
tuber�as que conducen el destilado al punto deseado, que suele ser un almac�n
relativamente cercano.
Los materiales involucrados en la construcci�n de los elementos que
conducen el destilado son muy importantes. El agua destilada es, por s� misma,
inodora e ins�pida. Sin embargo, es muy �vida de adquirir sabores y olores
extra�os. La mayor�a de los metales, los pl�sticos y los materiales cer�micos,
transfieren al agua destilada un sabor caracter�stico. Los �nicos materiales que
hemos encontrado que no alteran el sabor del destilado son: el vidrio, el acero
inoxidable y algunos pl�sticos (silic�n, acr�lico, PET) cuando est�n completamente
curados.
11.5 PRODUCTIVIDAD Y OPERACION DE LOS DESTILADORES SOLARES.
La productividad t�pica de los destiladores solares de caseta (y de casi todos) es
del orden de 3 a 5 litros diarios por metro cuadrado de destilador. Esta
productividad depende no s�lo del dise�o del destilador, sino que depende
fuertemente de muchos factores atmosf�ricos, de los cuales los principales son: la
magnitud de la irradiaci�n solar, la temperatura ambiente y la velocidad de los
vientos.
Como una aproximaci�n gruesa, digamos que -dentro de ciertos l�mites- a
mayor irradiaci�n, a mayor velocidad del viento y a menor temperatura ambiente,
la productividad de los destiladores de caseta aumenta. Una interpretaci�n de
estos fen�menos es que, a mayor irradiaci�n se tiene mayor entrada de energ�a al
colector y al evaporador, por lo cual se favorece la evaporaci�n del destilando.
Por otro lado, a menor temperatura ambiente y mayor velocidad del viento, se
favorece la remoci�n de calor del condensador, con lo cual se favorece la
condensaci�n. As�, en una primera aproximaci�n, se estar�an favoreciendo ambos
procesos necesarios para la purificaci�n del agua en el destilador.
Cabe aclarar, sin embargo, que la realidad f�sica del destilador no es tan
sencilla; las condiciones del evaporador y del condensador est�n �ntimamente
ligadas entre s� por el intercambio t�rmico en el interior y hacia el exterior del
destilador. Existen modelos que describen detalladamente estos procesos, pero
que por ahora escapan al objetivo de este curso. La figura 11.2 muestra
esquem�ticamente los principales flujos de calor que se dan espont�neamente en
un destilador de caseta. N�tese que el intercambio t�rmico entre el evaporador y
el condensador tiene varios elementos: evaporaci�n-condensaci�n, emisi�n de
infrarrojo, luz reflejada y convecci�n interna. De estos, todos menos la luz
reflejada dependen de las temperaturas a las que se encuentren tanto el
evaporador como el condensador. Y, a la inversa, las temperaturas de estos se
ven influenciadas por dichos flujos de calor.La eficiencia t�rmica de un
destilador solar se define como el cociente entre el calor transferido del
evaporador al condensador por el mecanismo de evaporaci�n-condensaci�n,
dividido entre la irradiaci�n durante el per�odo en cuesti�n. Una forma de medir el
calor por evaporaci�n-condensaci�n, es medir el volumen de destilado y
multiplicarlo por su calor latente de evaporaci�n. Por
tanto, una expresi�n para la eficiencia t�rmica de un destilador solar es:
donde md es la masa de destilado obtenida en un d�a, kg; _Hvap es el calor de
vaporizaci�n del agua, 2300 kJ/kg; Hs es la irradiaci�n correspondiente, kJ/m2; A
es el �rea del colector, m2. Te�rica y experimentalmente se ha demostrado que los
destiladores de caseta tienen una eficiencia porcentual m�xima del orden de 30 a
35%. En general, como una primera aproximaci�n, de la ecuaci�n anterior es
posible estimar la productividad que un destilador puede tener en un lugar
determinado.
El dato de la productividad permite hacer algunas consideraciones.
Primero, 3 a 5 litros diarios por metro cuadrado puede parecer un volumen muy
peque�o. Sin embargo, desde el punto de vista de obtener agua potable a escala
familiar o para peque�as comunidades, en muchos casos puede resultar adecuado -
especialmente donde esta alternativa sea econ�mica-. La misma limitaci�n en
productividad hace poco viable la destilaci�n solar para fines de purificaci�n de
agua en general, es decir, para fines no potables. Para el ba�o diario, para los
servicios, para lavar el auto, ba�ar al perro y regar el jard�n, no se requiere
agua estrictamente potable. Por otro lado, si el destilador est� construido
adecuadamente, la calidad del agua que se obtiene es tal, que sirve incluso para el
acumulador del autom�vil, para planchas de vapor, etc.
Algunos detalles pr�cticos en la operaci�n de los destiladores solares son
los siguientes: 1) Nunca debe secarse la charola que funge como colector-
evaporador. Cuando se seca, se depositan algunas sales sobre la pintura, se
calienta excesivamente el destilador y se alteran algunas de las condiciones de sus
superficies, que hacen que no vuelva a funcionar igual. 2) El destilador debe
purgarse peri�dicamente. La excesiva acumulaci�n de sales en el evaporador, aun
disueltas, disminuye la tendencia del destilando a evaporarse. Esto se evita
purgando el evaporador, con una frecuencia que depende de la concentraci�n de
sales en el destilando. En el caso de agua de mar puede ser diario o cada dos o
tres d�as. En otros casos, puede ser mucho menos frecuente, pero igualmente
necesario.
Se han desarrollado otros tipos de destiladores solares, con el objeto de eliminar
algunas de las inconveniencias del destilador de caseta. Mencionaremos s�lo los
principales.
Si en vez de una charola, en la construcci�n del evaporador se utilizan varias
charolas alargadas, dipuestas en forma de escalera, es posible mantener todos los
puntos del evaporador a menor distancia del condensador inclinado. Por otro lado,
es posible orientarlo adecuadamente hacia la posici�n promedio del Sol. Por �ltimo,
si se construye un ducto por detr�s de la escalera, es posible incluso aumentar el
�rea de condesnaci�n y favorecer el movimiento de convecci�n interna del
destilador, como medio de transporte entre el evaporador y el condesnador.
Con el objeto de minimizar el volumen de agua contenido en el evaporador, algunos
autores han construido destiladores en los que el evaporador consiste en una o
varias capas de tela absorbente, a trav�s de la cual escurre permanentemente un
flujo de agua. Este destilador tiene una alta respuesta a la irradiancia solar, pero
es necesario tener un cierto control del gasto de destilando que se le hace pasar.
Produce muy buenos rendimientos.
En este destilador se aprovecha el calor que el condensador debe perder, para
calentar otro u otros evaporadores, en vez de cederlo al ambiente. Con ello, es
posible aprovechar varias veces el calor solar captado en el colector.
Te�ricamente, es posible aumentar significativamente la productividad de los
destiladores, pero se establecen intercambios t�rmicos entre los diversos
"efectos" del destilador que no son sencillos de calcular y dise�ar.
Algunos de los problemas inherentes al destilador solar de caseta, como el
dep�sito indeseable de sales en el colector y los intercambios radiativos y
convectivos, pueden en principio eliminarse si se separa la funci�n de colectar la
energ�a, de la de evaporar el destilando. Con un colector adecuado puede
calentarse el agua, que se transfiere a otra unidad que haga las veces de
evaporador-condensador. Con este sistema, que es m�s costoso que el destilador
de caseta, no se ha logrado obtener mayor productividad que con aqu�l.
